CN104716747B

CN104716747B - 无线充电系统及其控制方法

Info

Publication number: CN104716747B
Application number: CN201310683031.7A
Authority: CN
Inventors: 江朝文; 谢周宇
Original assignee: Automotive Research and Testing Center
Current assignee: Automotive Research and Testing Center
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN104716747A

Abstract

本发明提供了一种无线充电系统及其控制方法，主要是先对天线进行阻抗匹配，使系统的共振频率点落在一操作频率范围内，接着进行最佳频率点追踪，主要是先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率，再判断其传输效率是否符合要求，若不符合要求即重新设定发射频率及传送测试信号，直到传输效率符合要求，即将该发射频率设定为最佳频率点；利用上述技术在特定距离内对变动的传输距离具有强健性，进而可有效提升无线充电效率。

Description

无线充电系统及其控制方法

技术领域

本发明是关于一种无线充电系统及其控制方法，尤指一种可有效提升无线充电效率的相关技术。

背景技术

所谓的无线充电也称为非接触式感应充电，主要是由充电器通过电感耦合将能量传送给用电设备，用电设备接收到能量后即对电池充电；当充电器与用电设备的距离较远时，即必须采用共振电感耦合设计。由于充电器与用电设备之间是利用近场感应方式传送能量，其间无须使用电源线连接，故具有安全、耐用及便利等诸多优点。

如上文所述，当充电器与用电设备的距离较远时是采用共振电感耦合设计，其意味着充电器与用电设备具有相同的操作频率范围。图10是一个充电器的传输效率和操作频率的对应曲线图，请参阅图10所示，该充电器共有两个共振频率点ω₁、ω₂，其分别由发射电路中的电容及电感元件所决定：

其中，L_m为耦合电感。

而上述两个共振频率点的任一落在操作频率范围内，该共振频率点即为最佳频率点。然而当传输距离变动时，共振频率点可能会跑出容许的操作频率范围内，而无法达成高效率传输。图11是传输效率与传输距离的相对特性曲线图，如图11所示，其显示最佳传输效率落在传输距离为18公分处，当传输距离变大或变小，都使传输效率相对走低。

因此如何确保最佳频率点不会跑出容许的操作频率范围，成为无线充电技术中一个重要的课题。而一种可行的调整技术为阻抗匹配，既有阻抗匹配技术大致分为两种：加入阻抗匹配电路与调整功率放大器的参数，以达成阻抗匹配。

加入阻抗匹配电路的方式是如图12所示，主要是在无线充电系统的耦合天线70上加入阻抗匹配电路80，其中，阻抗匹配电路80中所设调节电容Cs、Cp的容值及/或电感Ls的感值为可调，根据上述公式可知，耦合天线70整体的电容值或电感应值一经改变，其共振频率也会跟着改变，藉此可调整共振频率，使其落在操作频率范围内。

但加入阻抗匹配电路存在实现上的缺点，包括：不易达到精度匹配、匹配速度慢及牺牲部分系统效率等。至于调整功率放大器参数的方式也有不易达到精度匹配的缺点，且由于涉及繁复的演算程序，亦有匹配速度慢的问题。

由上述可知，既有利用阻抗匹配技术确保最佳频率点的方式在实现上存在匹配不易精准、速度慢，甚至牺牲系统效率等问题，故有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案。

发明内容

因此本发明主要目的在提供一种可提升传输效率的无线充电系统及其控制方法，其有效整合了阻抗匹配与频率追踪技术，以确保最佳频率点落在容许的操作频率范围内，进而实现无线充电的高效率传输。

为达成前述目的采取的一主要技术手段是令前述无线充电系统的控制方法包括：

对天线进行阻抗匹配，使系统的共振频率点落在一操作频率范围内；

进行最佳频率点追踪，是先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率；

判断传输效率是否符合要求，若不符合要求，重复前述步骤直到传输效率符合设定值；

若传输效率符合要求，即将该发射频率设定为最佳频率点；

以该最佳频率点作为系统操作频率进行充电。

为达成前述目的采取的又一主要技术手段是令前述无线充电系统包括：

一无线传送器，具有一第一控制器及一传送电路；该传送电路包括一第一阻抗匹配单元及一传送单元，由第一控制器控制第一阻抗匹配单元加入传送单元的电容，以进行阻抗匹配；该第一控制器进一步执行一最佳频率点追踪程序；

一无线接收器，具有一第二控制器及一接收电路；该接收电路包括一接收单元及一第二阻抗匹配单元，由第二控制器控制第二阻抗匹配单元加入接收单元的电容，以进行阻抗匹配；该第二控制器进一步执行一最佳频率点追踪程序；

前述系统与控制方法主要是先对天线进行阻抗匹配，使系统的共振频率点落在一容许的操作频率范围内，接着进行最佳频率点追踪程序，先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率，再判断其传输效率是否符合要求，若不符合要求即重新设定发射频率及传送测试信号，直到传输效率符合要求，即将该发射频率设定为最佳频率点；利用上述技术将使最佳频率点的设定更易于实现，且在特定距离内对变动的传输距离具有强健性，进而可有效提升无线充电效率。

附图说明

图1是本发明无线充电系统一较佳实施例的系统方块图；

图2是本发明无线充电系统一较佳实施例的传送电路的电路图；

图3是本发明无线充电系统一较佳实施例的接收电路的电路图；

图4是本发明无线充电系统的阻抗匹配方法流程图；

图5是本发明无线充电系统的一最佳频率点追踪方法流程图；

图6是本发明无线充电系统又一最佳频率点追踪方法流程图；

图7是本发明无线充电系统的特性曲线图；

图8是本发明无线充电系统的充电流程图；

图9是本发明无线充电系统又一较佳实施例的系统方块图；

图10是现有充电器传输效率和操作频率的对应曲线图；

图11是现有充电器传输效率和传距离的对应曲线图；

图12是现有充电器的阻抗匹配电路的电路图。

附图标记

10无线传送器 11传送电路

111第一阻抗匹配单元 112传送单元

12第一控制器 13第一电源转换模块

131交流对直流转换器 132放大器

20无线接收器 21接收电路

211第二阻抗匹配单元 212接收单元

22第二控制器 23第二电源转换模块

231整流器 232直流对直流转换器

70耦合天线 80阻抗匹配电路

具体实施方式

关于本发明无线充电系统的一可行实施例，请参阅图1所示，其包括一无线传送器10及一无线接收器20；其中

该无线传送器10主要是由一传送电路11、一第一控制器12、一第一电源转换模块13组成；请参阅图2所示，该传送电路11包括一第一阻抗匹配单元111及一传送单元112；该传送单元112包含一固定电容C1、一感应线圈L1及一电阻R1，该固定电容C1、该感应线圈L1以串接或并接方式构成回路(本实施例为串接)，而该电阻R1为内阻；该第一阻抗匹配单元111串接或并接于传送单元112的回路上；该第一阻抗匹配单元111可由一可连续调变的可变电容或多个调节电容并联构成的电容阵列。在本实施例中，该第一阻抗匹配单元111是由多个调节电容Cs并联构成的电容阵列构成，但不局限于此。前述电容阵列中每一调节电容Cs且分别串接一开关S1，各开关S1是由第一控制器12控制其通断，亦即是由第一控制器12决定第一阻抗匹配单元111由多少个并联的调节电容Cs加入传送单元112的回路。

根据如下的公式：

其中，L_m为感应线圈L1耦合后产生的互感电感，C’=C1+Cs。

由此可知，传送单元112的总电容值C’会因第一阻抗匹配单元111的调节电容Cs加入回路而改变，从而改变其共振频率点。至于上述阻抗匹配动作是为了让传送电路11的共振频率点落入一容许的操作频率范围内，该操作频率范围会有特定的范围，如可为140.91KHz～148.5KHz，但不局限于此。

而在本实施例中，该第一电源转换模块13是一交流转直流形式，主要是由一交流对直流转换器131及一放大器132组成，该交流对直流转换器131具有一输入端及一输出端，其输入端和交流市电连接，其输出端则与放大器132的输入端连接，放大器132的输出端则与传送电路11的输入端连接。

又请配合参阅图1、图3所示，该无线接收器20主要是由一接收电路21、一第二控制器22、一第二电源转换模块23组成；请参阅图3所示，该接收电路21包括一第二阻抗匹配单元211及一接收单元212；该接收单元212包含一固定电容C2、一感应线圈L2及一电阻R2，该固定电容C2、该感应线圈L2以串接或并接方式构成回路(本实施例为串接)，而该电阻R2为内阻；该第二阻抗匹配单元211串接或并接于接收单元212的回路上；该第二阻抗匹配单元211仍可由多个调节电容Cs并联构成的电容阵列抑或一可连续调变的可变电容构成，在本实施例中，该第二阻抗匹配单元211是由多个调节电容Cs并联构成的电容阵列，但不局限于此。前述电容阵列中每一调节电容Cs且分别串接一开关S2，各开关S2是由第二控制器22决定第二阻抗匹配单元211由多少个并联的调节电容Cs加入接收单元212的回路。

由于无线传送器10和无线接收器20采取共振设计，因此无线接收器20与无线传送器10采取相同阻抗匹配方式，以取得相同的共振频率点。理论上，传送电路11使第一阻抗匹配单元111加入多少个调节电容Cs到传送单元112的回路上，接收电路21就使其第二阻抗匹配单元211加入多少个调节电容Cs到接收单元212的回路上。

在本实施例中，无线接收器20的第二电源转换模块23是一直流转直流模式，主要是由一整流器231及一直流对直流转换器232组成。

由上述说明可了解本发明无线充电系统的基本架构，该无线传送器10的第一控制器12及无线接收器20的第二控制器22除分别控制第一阻抗匹配单元111、第二阻抗匹配单元211对传送单元112、接收单元212执行阻抗匹配外，并分别进一步进行一最佳频率点追踪程序，使无线充电系统得以在该最佳频率点进行高效率传输。关于第一控制器12、第二控制器22执行阻抗匹配及追踪最佳频率点的具体流程如以下所述。

请参阅图4所示，关于阻抗匹配部分执行以下步骤：

传送一个测试信号，并测量传送单元112与接收单元212的电流、电压(401)；

计算其传输效率(402)；

根据计算所得的传输效率决定进行阻抗匹配所需加入的电容(403)；具体而言是决定在传送单元112、接收单元212回路上加入的调节电容Cs，在本实施例中是预先建立一传输效率／传输距离对照表，以查表方式取得加入传送单元112、接收单元212的调节电容Cs；

加入该可变电容以进行阻抗匹配(404)，主要是在传送单元112、接收单元212的回路上加入该调节电容Cs，以进行阻抗匹配，进而使系统的共振频率点落在一容许的操作频率范围内，该操作频率范围会有特定的范围，例如140.91KHz～148.5KHz，但不局限于此。

在控制系统的共振频率点落在操作频率范围之后，即进一步进行最佳频率点追踪，具体流程请参阅图5所示，其包括：

设定一初始的发射频率(501)；

以设定的发射频率传送一测试信号(502)；

计算其传输效率(503)；

判断传输效率是否符合要求(504)；

若不符合要求，即重复前述步骤(501)～(504)；

若判断该传输效率符合要求，即将该发射频率设定为最佳频率点(505)；

以该最佳频率点作为系统操作频率进行充电(506)；其中：

前述步骤(504)判断传输效率是否符合要求的一可行方式是判断其效率变化Δη与频率变化Δf的比值是否小于或等于零；若比值大于零，即在原设定的发射频率上累加一频率值(例如增加0.5KH_Z)，随即回到步骤(501)重新设定发射频率、重新传送测试信号(502)、重新计算其传输效率(503)，并重新判断其效率变化Δη与频率变化Δf的比值是否小于或等于零(504)；当该比值小于或等于零，即将该发射频率设定为最佳频率点(505)，并作为系统操作频率进行充电。

前述流程是先设定较低的发射频率，再向上累加频率以追踪最佳频率点。同理，本发明也可以先设定较高的发射频率，再向下递减频率以追踪最佳频率点，具体流程请参阅图6所示，其包括：

设定一初始的发射频率(601)；

以设定的发射频率传送一测试信号(602)；

计算其传输效率(603)；

判断传输效率是否符合要求(604)；

若不符合要求，即重复前述步骤(601)～(604)；

若判断该传输效率符合要求，即将该发射频率设定为最佳频率点(605)；

以该最佳频率点作为系统操作频率进行充电(606)。

上述图6的步骤(601)～(606)与图5的步骤(501)～(506)大致相同，不同处在于步骤(601)及(604)，其中步骤(601)是设定较高频率的发射频率。步骤(604)是判断其效率变化Δη与频率变化Δf的比值是否大于或等于零；若比值小于零，即在原设定的发射频率上递减一频率值(例如减少0.5KHZ)，随即回到步骤(601)重新设定发射频率、重新传送测试信号(602)、重新计算其传输效率(603)，并重新判断其效率变化Δη与频率变化Δf的比值是否大于或等于零(604)；当该比值大于或等于零，即将该发射频率设定为最佳频率点(605)，并以该最佳频率点作为系统操作频率进行充电(606)。

利用上述技术，本发明的无线充电系统可在充电前依序完成阻抗匹配、最佳频率点追踪，使系统共振于特定频率范围内，对于传输距离变动具有强健性，以实现高效率传输。请参阅图7的传输效率对传输距离的特性曲线图，经由整合阻抗匹配与最佳频率点追踪技术之后，可在多种不同的传输距离(例如12、14、16、18公分)下保持高传输效率(如曲线J1)，即使随着传输距离扩大而使传输效率降低，其传输效率亦较现有技术(如曲线J2)为高。

当前述方法应用在实际的无线充电程序时，可依图8所示流程执行，其包括：

判断是否收到一充电请求(801)；

若收到充电请求，即执行一预充电模式(802)，而在该预充电模式下完成前述的阻抗匹配与最佳频率点追踪；

在预充电模式结束后进入一充电模式(803)进行充电；

在充电模式下持续判断是否有关闭动作(shut down)(804)或紧急状况(805)，若出现其中一种状况即结束充电程序(806)。

再者，前述实施例的无线充电系统，其无线传送器10、无线接收器20的第一电源转换模块13、第二电源转换模块23是交流对直流模式。事实上本发明也可以运用在交流对交流模式，请参阅图9所示，该无线传送器10、无线接收器20的基本架构与前一实施例大致相同，不同处在于：该无线传送器10的第一电源转换模块13是由一交流对交流转换器所构成，其输入端与交流市电连接，输出端直接和传送电路11的输入端连接。

该无线接收器20的第二电源转换模块23则是由一主动式整流器所构成。藉此，该无线传送器10和无线接收器20之间构成一直接交流电传输系统，其不仅系统架构单纯，且可减少电力转换损失，进一步提高系统效率。

Claims

1.一种无线充电系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

对天线进行阻抗匹配，使无线充电系统的共振频率点落在一操作频率范围内；

进行最佳频率点追踪，先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率；

判断传输效率是否符合要求，若不符合要求，重复上述“进行最佳频率点追踪，先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率”步骤，直到传输效率符合要求；

若传输效率符合要求，将所述发射频率设定为最佳频率点；

以所述最佳频率点作为系统操作频率进行充电；

其中，进行最佳频率点追踪时，由以下两种步骤的其中一种步骤决定传输效率是否符合要求：

步骤一：

判断其效率变化与频率变化的比值是否小于或等于零；若比值大于零，即在原设定的发射频率上累加一频率值，随即重新设定发射频率、传送测试信号、计算所述测试信号的传输效率，并重新判断其效率变化与频率变化的比值是否小于或等于零；

当所述比值小于或等于零，即将所述发射频率设定为最佳频率点；

步骤二：

判断其效率变化与频率变化的比值是否大于或等于零；若比值小于零，即在原设定的发射频率上递减一频率值，随即重新设定发射频率、传送测试信号、计算所述测试信号的传输效率，并重新判断其效率变化与频率变化的比值是否大于或等于零；

当所述比值大于或等于零，即将所述发射频率设定为最佳频率点。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，所述对天线进行阻抗匹配包括以下步骤：

传送一个测试信号；

计算所述测试信号的传输效率；

根据计算所得的传输效率决定阻抗匹配所需加入的可变电容；

加入所述可变电容以进行阻抗匹配，使无线充电系统的共振频率点落在一操作频率范围内。

3.根据权利要求2所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，所述可变电容的值由一预先建立的传输效率/传输距离对照表以查表方式取得。

4.一种无线充电系统，其特征在于，所述无线充电系统包括：

一无线传送器，具有一第一控制器及一传送电路；所述传送电路包括一第一阻抗匹配单元及一传送单元，由第一控制器控制第一阻抗匹配单元加入传送单元的电容，以进行阻抗匹配；所述第一控制器进一步执行一最佳频率点追踪程序；

一无线接收器，具有一第二控制器及一接收电路；所述接收电路包括一接收单元及一第二阻抗匹配单元，由第二控制器控制第二阻抗匹配单元加入接收单元的电容，以进行阻抗匹配；所述第二控制器进一步执行一最佳频率点追踪程序；

步骤一：

步骤二：

5.根据权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于，传送电路的传送单元主要由一固定电容、一感应线圈相互连接以构成一回路；所述第一阻抗匹配单元连接于传送单元的回路上；

所述接收单元主要由一固定电容、一感应线圈相互连接以构成一回路；所述第二阻抗匹配单元连接于接收单元的回路上；

所述第一阻抗匹配单元、第二阻抗匹配单元分别由一连续调变的可变电容构成。

6.根据权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于，所述传送电路的传送单元主要由一固定电容、一感应线圈相互连接以构成一回路；所述第一阻抗匹配单元连接于传送单元的回路上；

所述第一阻抗匹配单元主要由多个调节电容并联构成的电容阵列所构成，所述电容阵列中各调节电容分别串接一开关，各开关由第一控制器控制启闭；

所述第二阻抗匹配单元主要由多个调节电容并联构成的电容阵列所构成，所述电容阵列中各调节电容分别串接一开关，各开关由第二控制器控制启闭。

7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的无线充电系统，其特征在于，所述最佳频率点追踪程序包括：

先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算所述测试信号的传输效率；

判断传输效率是否符合要求，若不符合要求，重复上述“先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算所述测试信号的传输效率”步骤，直到传输效率符合要求；

若传输效率符合要求，将所述发射频率设定为最佳频率点。

8.根据权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，所述无线传送器进一步包括一第一电源转换模块，所述第一电源转换模块与传送电路连接；

所述无线接收器进一步包括一第二电源转换模块，所述第二电源转换模块与接收电路连接。